彭鋒

（湖南華達(dá)工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410000）

1 概述

隧道工程開挖通常采用鉆孔爆破技術(shù)。炸藥爆炸后，將在炮孔內(nèi)激發(fā)沖擊波形式的爆炸應(yīng)力波。爆炸沖擊波對(duì)炮孔近區(qū)巖石產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊破壞作用。隨著向外傳播距離增大，爆炸應(yīng)力波不斷衰減直至變成只能引起巖石產(chǎn)生振動(dòng)的彈性波。因此，巖石爆破主要產(chǎn)生兩種作用：爆炸近區(qū)的破巖作用和爆炸中遠(yuǎn)區(qū)的振動(dòng)作用[1,2]。前者屬于沖擊破壞作用，對(duì)巖石工程開挖而言，是必需的。后者屬于疲勞破壞作用，對(duì)巖石開挖工程而言，是多余的。巖石通常為含裂隙和孔洞等缺陷的天然損傷材料[3,4]。在長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造和風(fēng)化作用下，以巖石為基本單元的巖體內(nèi)部也含結(jié)構(gòu)面缺陷。即巖體也是初始損傷體[5]。巖石力學(xué)性質(zhì)越差，巖體結(jié)構(gòu)面越發(fā)育，結(jié)構(gòu)面方位越不利于穩(wěn)定，發(fā)生爆破振動(dòng)破壞的概率越大。因此，隧道爆破振動(dòng)安全問題，特別是巖石穩(wěn)定性差的隧道爆破振動(dòng)安全問題，十分突出，一直是巖石爆破工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

研究爆破振動(dòng)問題的方法采用波動(dòng)法和振動(dòng)法[6,7]。其中，波動(dòng)法著眼于爆炸應(yīng)力波傳播在建(構(gòu))筑物中的傳播、建(構(gòu))筑物中相鄰質(zhì)點(diǎn)的相互作用，通過研究建(構(gòu))筑物的振動(dòng)變形過程，確定爆破振動(dòng)效應(yīng)。而振動(dòng)法不考慮爆炸應(yīng)力波傳播在建(構(gòu))筑物中的傳播過程，也不考慮建(構(gòu))筑物中相鄰質(zhì)點(diǎn)的相互作用，而是著眼于建(構(gòu))筑物中各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況，通常以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)度表征振動(dòng)效應(yīng)。波動(dòng)法具有普適性，理論假設(shè)和實(shí)際情況相符，但波動(dòng)法應(yīng)用通常較復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)。雖然在計(jì)算結(jié)果和實(shí)際結(jié)果的對(duì)比方面，振動(dòng)法的應(yīng)用效果不如波動(dòng)法，但振動(dòng)法應(yīng)用比波動(dòng)法簡(jiǎn)單，振動(dòng)法求解問題基本滿足工程精度要求[7]。因此，巖石爆破工程通常以振動(dòng)法為評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)效應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

根據(jù)振動(dòng)法，表征爆破振動(dòng)效應(yīng)的物理量為振動(dòng)位移、振動(dòng)加速度和振動(dòng)速度[8-11]，其中，振動(dòng)速度和巖土性質(zhì)、爆破振動(dòng)破壞程度之間的相關(guān)性最好。我國(guó)主要采用振動(dòng)速度作為爆破振動(dòng)安全判據(jù)。爆破振動(dòng)安全判據(jù)除了考慮振動(dòng)速度強(qiáng)度影響外，還需考慮振動(dòng)主頻的影響[7,12,13]?！氨瓢踩?guī)程（GB6722-2014）”明確了爆破振動(dòng)效應(yīng)評(píng)價(jià)應(yīng)采用最大振動(dòng)速度和振動(dòng)主頻的組合進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，通常利用現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)速度測(cè)試研究爆破振動(dòng)速度和振動(dòng)主頻的傳播與衰減規(guī)律，并根據(jù)“爆破安全規(guī)程”等爆破相關(guān)規(guī)范評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)效應(yīng)。爆破振動(dòng)效應(yīng)分析通?；谟稍囼?yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析得到的經(jīng)驗(yàn)公式。爆破振動(dòng)速度通常隨炸藥的增大而增大，隨傳播距離的增大而減小。常用的爆破振動(dòng)速度傳播衰減預(yù)測(cè)公式為薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式[7-11]。爆破振動(dòng)主頻通常隨起爆藥量和傳播距離的增大而減小[14]。相比振動(dòng)速度測(cè)試，振動(dòng)主頻測(cè)試結(jié)果容易受到干擾，且振動(dòng)主頻的影響機(jī)理復(fù)雜，目前對(duì)爆破振動(dòng)主頻的衰減預(yù)測(cè)公式的使用尚未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。焦永斌[15]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和調(diào)查結(jié)果，提出并擬合得到爆破振動(dòng)主頻隨單響起爆藥量、傳播距離的變化規(guī)律。盧文波等[16]根據(jù)量綱分析推導(dǎo)得到爆破振動(dòng)主頻和單響起爆藥量、傳播距離之間的關(guān)系式以預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)主頻傳播衰減規(guī)律。

板巖為變質(zhì)巖，在我國(guó)分布較廣。新鮮板巖通常為較硬巖，而風(fēng)化板巖通常為較軟巖～軟巖[17]。由于風(fēng)化板巖的力學(xué)穩(wěn)定性較差，因此風(fēng)化板巖隧道爆破振動(dòng)安全問題突出。為確保風(fēng)化板巖隧道爆破施工安全，必須嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)效應(yīng)。為此，本文針對(duì)風(fēng)化板巖隧道爆破開挖實(shí)際工程，通過在現(xiàn)場(chǎng)開展爆破試驗(yàn)和爆破振動(dòng)速度試驗(yàn)，由試驗(yàn)獲得峰值振動(dòng)速度和振動(dòng)主頻的傳播與衰減規(guī)律，以分析和評(píng)估爆破振動(dòng)效應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上給出爆破參數(shù)設(shè)計(jì)和爆破施工的建議，為實(shí)際工程的爆破振動(dòng)安全評(píng)估提供參考。

2 爆破振動(dòng)速度測(cè)試方案

2.1 現(xiàn)場(chǎng)爆破概況

2.1.1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)。爆破工程項(xiàng)目為風(fēng)化板巖隧道爆破開挖項(xiàng)目，屬于公路隧道項(xiàng)目。板巖風(fēng)化程度為微風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化，天然密度為2625～2912kg/m3，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為7～28 MPa，單軸飽和抗拉強(qiáng)度為0.8～4 MPa，屬于軟巖。巖體完整程度描述為完整～破碎，縱波波速為1807～4105 m/s。根據(jù)“公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范(JTGC20-2011)”，隧道圍巖類別為Ⅲ～Ⅴ級(jí)，主要為Ⅳ級(jí)。本文試驗(yàn)研究主要針對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖。

2.1.2 爆破試驗(yàn)。由于圍巖力學(xué)性質(zhì)差，圍巖屬于Ⅳ級(jí)，因此采用2 級(jí)臺(tái)階開挖方式（上、下臺(tái)階）掘進(jìn)掌子面。本文研究針對(duì)的是上臺(tái)階開挖。爆破方式為微差分段起爆方式，典型的隧道斷面鉆爆設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。炸藥類型為2#巖石乳化炸藥。圖1 中，隧道上臺(tái)階的開挖高度為8.0m，開挖底板寬11.8m。編號(hào)①～⑨代表微差爆破的起爆順序編號(hào)。數(shù)字越小，代表起爆時(shí)間越早。其中，①和②為掏槽孔起爆，③～⑦為崩落孔（或者主爆孔）起爆，⑧為緩沖孔，⑨為周邊孔（或者光爆孔）起爆。因此，起爆順序依次為掏槽孔、崩落孔、緩沖孔和周邊孔。周邊孔間距為0.5m，抵抗線為0.6m。緩沖孔和崩落孔的間距均為1.0m，抵抗線均為0.9m。炮孔的直徑均為42mm，典型的鉆爆參數(shù)如表1 所示。從表1 看出，單段起爆最大藥量為18.7kg，為崩落孔裝藥量。

表1 典型的鉆爆參數(shù)

圖1 典型的隧道斷面鉆爆設(shè)計(jì)圖(單位：m)

2.2 爆破振動(dòng)速度測(cè)試方案

2.2.1 測(cè)試系統(tǒng)。爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)為TC-4850 爆破測(cè)振儀和振動(dòng)速度傳感器，其中，測(cè)振儀能夠即時(shí)記錄振動(dòng)信號(hào)以及在測(cè)試完畢后分析處理數(shù)據(jù)。傳感器能夠接收三個(gè)相互垂直的振動(dòng)速度分量信號(hào)。

2.2.2 測(cè)點(diǎn)和測(cè)線布置。按照近密遠(yuǎn)疏的原則布置測(cè)點(diǎn)，即距離爆源中心近的測(cè)點(diǎn)布置比較密集，反之，則比較稀疏。測(cè)點(diǎn)布置在下臺(tái)階底板上，各測(cè)點(diǎn)和爆源中心連城直線，測(cè)線上的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)為5。測(cè)點(diǎn)布置示意圖見圖2。測(cè)點(diǎn)方向分別為垂直隧道底板的方向z，水平徑向x（指向爆源）和水平切向y。爆破時(shí)，利用測(cè)振儀和傳感器記錄x，y 和z 三個(gè)方向的振動(dòng)波形。

圖2 測(cè)點(diǎn)和測(cè)線布置示意圖

3 測(cè)試結(jié)果及分析

爆破振動(dòng)速度和振動(dòng)主頻衰減規(guī)律：

3.1 爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律分析。設(shè)x，y 和z 方向的最大振動(dòng)速度分別為Vxmax，Vymax和Vzmax，振動(dòng)主頻分別為fx，fy和fz，測(cè)點(diǎn)至爆源中心的距離為R（簡(jiǎn)稱測(cè)距），單段起爆最大炸藥量為Qmax。由試驗(yàn)獲得的Vxmax，Vymax和Vzmax分別見表2，表3 和表4。從表2～表4看出，當(dāng)單段起爆最大藥量Qmax一定時(shí)，隨著測(cè)距的增加，振動(dòng)速度不斷衰減。利用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)表2～表4 進(jìn)行回歸分析，得到下列關(guān)系式[7]：

表4 z 方向振動(dòng)速度和振動(dòng)主頻

表3 y 方向振動(dòng)速度和振動(dòng)主頻

表2 x 方向振動(dòng)速度和振動(dòng)主頻

式(1)、(2)和(3)的擬合相關(guān)系數(shù)的平方分別為0.9668、0.9823 和0.9764，擬合效果良好。根據(jù)式(1)、(2)和(3)，z 方向的振動(dòng)速度的衰減系數(shù)最大，為1.96。這表明，垂直向的振動(dòng)速度衰減最快。

3.2 爆破振動(dòng)主頻衰減規(guī)律分析

爆破振動(dòng)主頻如表2～表4 所示，根據(jù)表2～表4，當(dāng)單段起爆最大藥量一定時(shí)，爆破振動(dòng)主頻隨測(cè)距的增加而不斷減小。利用盧文波等[16]、張逵[7]建議的公式對(duì)表2～表4 中所示振動(dòng)主頻與測(cè)距等參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得到以下關(guān)系式：

式(4)、(5)和(6)的擬合相關(guān)系數(shù)的平方分別為0.8793、0.9225 和0.8461，擬合效果良好。根據(jù)式(4)、(5)和(6)，x 方向的振動(dòng)主頻的衰減系數(shù)最大，為0.47。這表明，水平徑向（指向爆源中心的方向）的振動(dòng)主頻衰減最快。

根據(jù)式(4) ～(6)，在測(cè)距R 一定時(shí)，爆破振動(dòng)主頻隨單段起爆藥量的增大而降低。

3.3 爆破振動(dòng)效應(yīng)分析和安全性評(píng)價(jià)

由前面分析結(jié)果可知，（1）x，y 和z 方向上的最大振動(dòng)速度均出現(xiàn)在為測(cè)距為15cm 的測(cè)點(diǎn)上，分別為9.6cm/s，9.5cm/s 和10.1cm/s，z 方向上的振動(dòng)速度最大；（2）隨距離衰減最快的爆破振動(dòng)速度為沿z 方向即垂直隧道底板方向上的振動(dòng)速度，而隨距離衰減最快的爆破振動(dòng)主頻為沿x 方向即指向爆源方向的水平徑向振動(dòng)主頻。因此，振動(dòng)速度發(fā)生最大衰減的方向和振動(dòng)主頻發(fā)生最大衰減的方向并不相同。爆破振動(dòng)效應(yīng)分析時(shí)應(yīng)考慮該特點(diǎn)。

本文爆破項(xiàng)目屬于交通隧道工程。因此，根據(jù)“爆破安全規(guī)程”(GB6724-2014)，對(duì)于交通隧洞，當(dāng)振動(dòng)主頻為0～10Hz 時(shí)，安全允許的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為10～12 cm/s；當(dāng)振動(dòng)主頻為10～50Hz 時(shí)，安全允許的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為12～15 cm/s；當(dāng)振動(dòng)主頻超過50Hz 時(shí)，安全允許的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為15～20 cm/s。

根據(jù)表2～表4，本文試驗(yàn)的振動(dòng)主頻范圍為30～70 Hz，質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)速度為10.1 cm/s，這表明，采用本文的鉆爆參數(shù)設(shè)計(jì)開展爆破時(shí)，當(dāng)測(cè)距R 為15～70 m 時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度控制在安全允許范圍內(nèi)。因此，鉆爆參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

根據(jù)“爆破安全規(guī)程”(GB6724-2014)，當(dāng)振動(dòng)頻率范圍為30～70 Hz 時(shí)，安全允許的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的最小值為12cm/s，可以利用該振動(dòng)速度值反求安全允許的單段起爆藥量[Q]。設(shè)x，y 和z 方向的安全允許的單段起爆藥量分別為[Qx]，[Qy]和[Qz]，將安全允許的最小振動(dòng)速度值12cm/s 分別代入式(1)、(2)和(3)，分別得到[Qx]，[Qy]和[Qz]為：

式中，[R]為安全允許的振動(dòng)距離。

安全允許的單段起爆藥量[Q]滿足下式：

式中，min（X，Y，Z）為對(duì)括號(hào)內(nèi)數(shù)值X，Y，Z 取最小值的函數(shù)。

聯(lián)立式(7)～(10)，可知：

交通隧道的爆破振動(dòng)安全距離通常為15m，即[R]=15m，代入式(11)，得到[Q]=19.9kg。

實(shí)際施工中，既可以采用本文爆破試驗(yàn)給出的鉆爆參數(shù)，也可以在給出的鉆爆參數(shù)基礎(chǔ)上對(duì)爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，控制單段起爆藥量不超過19.9kg，以確保爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度在安全允許的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

為研究風(fēng)化板巖公路隧道的爆破振動(dòng)效應(yīng)，在現(xiàn)場(chǎng)開展了爆破振動(dòng)速度測(cè)試，通過試驗(yàn)得到爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和振動(dòng)主頻的傳播衰減規(guī)律，利用回歸分析擬合分別得到最大振動(dòng)速度和振動(dòng)主頻的預(yù)測(cè)公式，并給出了安全允許的單段起爆藥量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可知：

（1）垂直底板的振動(dòng)速度衰減快，水平徑向振動(dòng)（指向爆源方向）的主頻衰減最快。

（2）爆破試驗(yàn)的鉆爆參數(shù)設(shè)計(jì)合理，爆破振動(dòng)速度控制在安全允許范圍內(nèi)。

（3）對(duì)于實(shí)際爆破施工，通常交通隧道的爆破振動(dòng)安全距離為15m，建議采用爆破試驗(yàn)給出的鉆爆參數(shù)或者在給出的鉆爆參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，嚴(yán)格控制單段起爆藥量不得超過給出的安全允許值19.9kg。